Το Νόμπελ Φυσικής του 2025 απονεμήθηκε στους John Clarke, Michel Devoret και στον «ελληνοαμερικανό» John Martinis για την ανακάλυψη του φαινομένου της κβαντικής σήραγγας και της κβάντωσης ενέργειας σε ένα μακροσκοπικό (υπεραγώγιμο) ηλεκτρικό κύκλωμα. Το βραβείο σχετίζεται σίγουρα με το γεγονός ότι φέτος γιορτάζονται τα 100 χρόνια της κβαντομηχανικής.
John Clarke, Michel H. Devoret και John M. Martinis
Αν και πολλοί περίμεναν πως το φετινό βραβείο Νόμπελ θα πήγαινε επιτέλους στις θεωρητικές βάσεις των κβαντικών υπολογιστών (David Deutsch και Peter Shor), τελικά δόθηκε σε πειράματα που σχετίζονται με την τεχνολογία που εφαρμόστηκε (και) στους πρώτους κβαντικούς υπολογιστές.
Αποφεύγοντας τις αναφορές στους κβαντικούς υπολογιστές
Μετά την ανακάλυψη του υπεραγώγιμου ηλεκτρικού κυκλώματος των Clarke, Devoret και Martinis στα μέσα της δεκαετίας του 1980, ο σχεδιασμός του βελτιώθηκε στην επόμενη δεκαετία, έτσι ώστε το 1999, οι φυσικοί της Nippon Electric Company στην Ιαπωνία να κατασκευάσουν ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα που ταλαντωνόταν γρήγορα και αξιόπιστα μεταξύ δύο ενεργειακών επιπέδων – υλοποιώντας αυτό που σήμερα ονομάζεται κβαντοδυφίο ή qubit.
Τα υπεραγώγιμα κυκλώματα είναι μια από τις κορυφαίες αρχιτεκτονικές για κβαντικούς υπολογιστές, που χρησιμοποιούνται από εταιρείες όπως η Google και η IBM και από ερευνητές σε όλο τον κόσμο. Ο Martinis είναι γνωστός για την συνεργασία του με μια ομάδα της Google που χρησιμοποιεί τέτοια qubits για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών. Όμως, η φρενίτιδα στην έρευνα σχετικά με τους κβαντικούς υπολογιστές έχει προκαλέσει τεράστια και συνεχώς αυξανόμενη δημοσιότητα και χρηματοδότηση, καθώς εταιρείες και χώρες προσπαθούν να αξιοποιήσουν τη νέα τεχνολογία. Ο αδυσώπητος ανταγωνισμός προκαλεί όλο και αυξανόμενη παραπληροφόρηση στα ΜΜΕ σχετικά με τα επιτεύγματα στην κβαντική υπολογιστική. Κι αυτός είναι ο λόγος που η επιτροπή των Νόμπελ Φυσικής απέφυγε σχεδόν κάθε αναφορά στους κβαντικούς υπολογιστές κατά την ανακοίνωση του φετινού βραβείου.
Στην επίσημη επιστημονική ανακοίνωση της επιτροπής που εκτείνεται σε 15 σελίδες, το θέμα αυτό αναφέρεται μόνο δύο φορές ως εξής:
α) «μετά την εφεύρεση του αλγορίθμου Shor, ξεκίνησε η αναζήτηση ελεγχόμενων κβαντικών bits ή qubits ως βάση για έναν κβαντικό υπολογιστή … ήταν σαφές ότι τα υπεραγώγιμα κυκλώματα (όπως το ανακαλυφθέν κύκλωμα των Clarke, Devoret και Martinis) ήταν μία από τις πιθανές λύσεις» και
β) «σήμερα, ένα qubit που ονομάζεται «Transmon» δεν είναι ευαίσθητο στον θόρυβο φορτίου και χρησιμοποιείται σε μια σειρά από προσπάθειες σε όλο τον κόσμο, με στόχο την υλοποίηση ενός κβαντικού υπολογιστή μεγάλης κλίμακας. Επισημαίνουμε ότι τα υπεραγώγιμα κυκλώματα είναι μόνο μία από μια σειρά πολλά υποσχόμενων τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται σε αυτή την παγκόσμια προσπάθεια«.
Αυτή η λιτή αναφορά της επιτροπής όσον αφορά την σχέση του Νόμπελ Φυσικής με τους κβαντικούς υπολογιστές έπιασε τόπο και οι τίτλοι ειδήσεων μετά την ανακοίνωσή του επικεντρώθηκαν περισσότερο στη θεμελιώδη φυσική. Για πολλούς φυσικούς η υποβάθμιση των εφαρμογών στους κβαντικούς υπολογιστές ήταν μια ανακούφιση και μια λογική επιλογή. Άλλωστε η σημασία των βραβευθέντων πειραμάτων με Νόμπελ είναι τεράστια και χωρίς την εφαρμογή τους στους κβαντικούς υπολογιστές.
Η κβαντομηχανική στην δεκαετία του 1980
Την δεκαετία του 1980, όταν οι Clarke, Devoret και Martinis πραγματοποιούσαν τα πειράματά τους, ήταν μια εποχή που οι περισσότεροι φυσικοί θεωρούσαν ότι η κβαντική φυσική – πέρα από από τους φιλοσοφικούς προβληματισμούς που προκαλούσε – εφαρμοζόταν κυρίως στην ατομική, πυρηνική και φυσική στοιχειωδών σωματιδίων. Εκείνη την εποχή δημοσιεύθηκαν οι 3 εργασίες, στις οποίες και οι τρεις νομπελίστες φυσικοί συνεργάστηκαν για να πραγματοποιήσουν το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας και να παρατηρήσουν τις διακριτές ενεργειακές στάθμες (κβάντωση ενέργειας), σε ένα μακροσκοπικό ηλεκτρικό κύκλωμα:
1) M. H. Devoret, J. M. Martinis, J. Clarke, “Measurement of Macroscopic Quantum Tunneling out of a Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction”, Phys. Rev. Lett. 55, 1908 (1985) https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.55.1908
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.55.1908
2) J. M. Martinis, M. H. Devoret, J. Clarke, “Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction”, Phys. Rev. Lett. 55, 1543 (1985)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.55.1543
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.55.1543
3) J. Clarke, A. N. Cleland, M. H. Devoret, D. Esteve, J. M. Martinis, “Quantum Mechanics of a Macroscopic Variable: The Phase Difference of a Josephson Junction”, Science 239, 992 (1988).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.239.4843.992
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.239.4843.992
Σ’ αυτές τις δημοσιεύσεις παρουσιάζονται για πρώτη φορά πειραματικά δεδομένα που δείχνουν ότι το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας σε μακροσκοπικό επίπεδο είναι πραγματικό, αλλά και την κβαντισμένη απορρόφηση και εκπομπή ενέργειας από το υπεραγώγιμο ηλεκτρικό κύκλωμα.
Τι είναι το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας;
Σύμφωνα με τον Στέφανο Τραχανά στο κλασικό βιβλίο του Κβαντομηχανική Ι:
«Η δυνατότητα των κβαντικών σωματιδίων να διασχίζουν κλασικά απαγορευμένες περιοχές πεπερασμένης έκτασης και να συνεχίζουν την κίνησή τους από την άλλη μεριά του «φράγματος», αναφέρεται συνήθως ως φαινόμενο σήραγγας. Η ονομασία του φαινομένου προέρχεται από την κλασική εικόνα ενός σφαιριδίου που επιχειρεί να ανέβει σε έναν λόφο έχοντας αρχική ταχύτητα που δεν του επιτρέπει να φτάσει ως την κορυφή και να περάσει στην άλλη του πλευρά. Και στην περίπτωση που αυτό συμβεί, δεν έχουμε άλλη εκλογή (στην κλασική φυσική πάντα) παρά να υποθέσουμε ότι ο λόφος είναι εφοδιασμένος με μια … μυστική σήραγγα η οποία άνοιξε όταν το σφαιρίδιο έφτασε στην είσοδό της και του επέτρεψε να περάσει στην άλλη μεριά! (βλέπε σχήμα 1)
Σχήμα 1: Το κλασσικό «ανάλογο» του φαινομένου σήραγγας.
Το σφαιρίδιο δεν έχει την απαιτούμενη ενέργεια να περάσει πάνω από τον λόφο. Τα καταφέρνει όμως να βρεθεί στην άλλη του πλευρά χάρις στη «σήραγγα» που υπάρχει στην πλαγιά του. Ο πιθανοκρατικός χαρακτήρας του κβαντικού φαινομένου – το σωματίδιο άλλοτε περνάει και άλλοτε δεν περνάει – αποδίδεται κλασικά με αντίστοιχο τυχαίο άνοιγμα ή κλείσιμο της εισόδου της σήραγγας!
Στον μικρόσκοσμο όμως η δυνατότητα διείσδυσης των σωματιδίων σε τέτοιες απαγορευμένες περιοχές είναι απόλυτα φυσιολογική. Αν η έκταση μιας τέτοιας περιοχής είναι πεπερασμένη (βλέπε σχήμα 2), η εκθετική απόσβεση που υφίσταται εκεί η κυματοσυνάρτηση του σωματιδίου δεν είναι αρκετή για να μηδενίσει την πιθανότητα να διασχίσει την … έρημο και να βρεθεί εκ νέου σε μια ενεργειακά επιτρεπόμενη περιοχή.
Σχήμα 2: Η γενική μορφή της κυματοσυνάρτησης ενός σωματιδίου που διασχίζει μια κλασικά απαγορευμένη περιοχή.
Στην περιοχή του φράγματος η κυματοσυνάρτηση υφίσταται μια εκθετική μείωση του πλάτους της που αφήνει όμως μια μικρή πιθανότητα στο σωματίδιο να φτάσει ως την άλλη πλευρά και να συνεχίσει την κίνησή του ως ένα κύμα με αισθητά μειωμένο πλάτος.
Το μακροσκοπικό φαινόμενο κβαντικής σήραγγας (MQT)
Ωστόσο, τα παραπάνω ισχύουν στον μικρόκοσμο και για μεμονωμένα σωματίδια, π.χ. ηλεκτρόνια. Οι Clarke, Devoret και Martinis που κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2025, διαπίστωσαν ότι αυτό μπορεί να συμβεί και για μεγάλες συλλογές σωματιδίων. Συγκεκριμένα, εξέτασαν ηλεκτρικά ρεύματα σε υπεραγωγούς. Εκεί ηλεκτρικό ρεύμα συνίσταται από εκατομμύρια ηλεκτρόνια … κάτι πολύ μεγαλύτερο σε σύγκριση με ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Αυτό που απέδειξαν είναι ότι η συλλογική συμπεριφορά του ρεύματος στον υπεραγωγό μπορεί να διασχίσει ένα κλασικά απαγορευμένο φράγμα. Μόνο στους υπεραγωγούς ένα μεγάλο πλήθος ηλεκτρονίων μπορεί να περιγραφεί ως μία κβαντική κατάσταση – σαν να ήταν ένα ενιαίο σωματίδιο που καταλάμβανε ολόκληρο το κύκλωμα. Αυτό απαιτεί θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα:
Καθώς το κύκλωμα ψύχεται το ηλεκτρικό ρεύμα συμπεριφέρεται με τρόπο που θα ήταν αδύνατος χωρίς το μακροσκοπικο κβαντικό φαινόμενο σήραγγος (MQT).
Οι Clarke, Devoret και Martinis απέδειξαν ότι ένα κύκλωμα ορατό με γυμνό μάτι θα μπορούσε να κάνει το κλασικά αδύνατο: όχι ένα αλλά εκατοντάδες εκατομμύρια ηλεκτρόνια θα μπορούσαν συλλογικά να διασχίσουν μια απαγορευμένη κλασικά περιοχή – να πραγματοποιήσουν ένα μακροσκοπικό κβαντομηχανικό φαινόμενο σήραγγας.
Η γάτα του Σρέντιγκερ σε υπεραγώγιμο κύκλωμα
Υπάρχει ένα μυστήριο: Γιατί τα μικρά σώματα, όπως τα ηλεκτρόνια, συμπεριφέρονται κβαντομηχανικά και τα μεγάλα όπως οι μπάλες ποδοσφαίρου, ακολουθούν τους νόμους της κλασικής μηχανικής; Η απάντηση έχει να κάνει με τον περιβαλλοντικό θόρυβο. Ένα μεμονωμένο σωματίδιο μπορεί να βρει κάποια ηρεμία. Ένα τρισεκατομμύριο δισεκατομμύρια σωματιδίων μαζί συμπεριφέρονται όπως οι φανατικοί στην κερκίδα της θύρας 13 την στιγμή που ο Παναθηναϊκός βάζει το τέταρτο γκολ στη Γιουβέντους. Όταν αυξάνεται ο αριθμός των σωματιδίων τείνουν να καταστραφούν οι ευαίσθητες κβαντικές συνθήκες, καθιστώντας το σύστημα κλασικό και την προσπάθεια διάνοιξης κβαντικής σήραγγας σε παταγώδη αποτυχία.
Υπάρχουν τρόποι για να «παραμείνει κανείς κβαντικός» ακόμη και σε μακροσκοπική κλίμακα. Στους υπεραγωγούς, όπως οι ηλεκτρομαγνήτες πολλών τόνων στα μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας (MRI), τα ηλεκτρόνια ψύχονται κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία. Σ’ αυτή την ψυχρή κατάσταση, τα ηλεκτρόνια γίνονται αρκετά ευκίνητα ώστε να ρέουν χωρίς αντίσταση.
Αλλά το 1981 δεν ήταν ακόμη σαφές αν τα μακροσκοπικά κβαντικά συστήματα μπορούσαν επίσης να τεθούν σε υπέρθεση ή συνδυασμό διακριτών καταστάσεων. Με άλλα λόγια: θα μπορούσε ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων να συμπεριφερθεί κβαντομηχανικά, όπως η υποθετική γάτα του Erwin Schrödinger; Δύο θεωρητικοί φυσικοί, ο Tony Leggett και ο Amir Caldeira, και οι δύο τότε στο Πανεπιστήμιο του Sussex στην Αγγλία, συνειδητοποίησαν ότι η αναζήτηση κβαντικής σήραγγας σε ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα θα μπορούσε να είναι ο ιδανικός τρόπος για να απαντηθεί το ερώτημα.
Τα επόμενα χρόνια, ομάδες στα εργαστήρια IBM και Bell Labs προσπάθησαν να εντοπίσουν μακροσκοπική διάνοιξη σηράγγων σε συσκευές που ονομάζονται επαφές Josephson, οι οποίες είναι κυκλώματα κατασκευασμένα από δύο υπεραγωγούς που χωρίζονται από ένα λεπτό μονωτικό φράγμα (ονομάστηκαν έτσι από τον Brian Josephson, που βραβεύθηκε με Νόμπελ Φυσικής το 1973). Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε δύο καταστάσεις: μπορούν να μπλοκαριστούν από το φράγμα, καταγράφοντας μηδενική τάση, ή μπορούν να το υπερπηδήσουν, παράγοντας μια μη μηδενική τάση. Αυτές οι δύο καταστάσεις αντιστοιχούν στην απροσδιόριστη κατάσταση ζωντανής ή νεκρής γάτας στο αρχικό νοητικό πείραμα του Schrödinger. Στην πραγματικότητα μια υπέρθεση των καταστάσεων «γάτα νεκρή» και «γάτα ζωντανή».
Το πρόβλημα είναι ότι η απλή ανίχνευση μιας τάσης δεν σημαίνει ότι υπάρχει μακροσκοπικό φαινόμενο κβαντικής σήραγγας. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να υπερπηδήσουν το φράγμα και με κλασικό τρόπο, με μια ώθηση από τυχαία θερμική ενέργεια, αντί να το διαπεράσουν μέσω κβαντικής σήραγγας. Επειδή δεν ήταν δυνατό να αποκλειστεί η πιθανότητα θερμικού θορύβου ακόμη και σε θερμοκρασίες της τάξης του ενός Κelvin (δηλαδή μόλις έναν βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν), οι ομάδες της IBM και των Bell Labs δεν μπορούσαν να ισχυριστούν οριστικά ότι είχαν παρατηρήσει μακροσκοπικό φαινόμενο σήραγγας.
Για να αντιμετωπίσουν την πρόκληση των Leggett και Caldeira, οι Clarke, Devoret και Martinis κατέβαλε μεγάλη προσπάθεια για να απομονώσει το σύστημά τους από το περιβάλλον τοποθετώντας το τσιπ μεγέθους εκατοστού στο άκρο ενός σωλήνα γεμάτου με σκόνη χαλκού για να μετριάσει τον θόρυβο. Στη συνέχεια, ψύχοντας την επαφή Josephson στους 0,01 Κelvin, με επαναλαμβανόμενες δοκιμές απέδειξαν ότι τα ηλεκτρόνια περνούσαν το φράγμα ακόμη κι όταν ο θερμικός θόρυβος ουσιαστικά εξαφανιζόταν.
Αυτό που έδειξαν οι Clarke, Devoret και Martinis είναι ότι ακόμη και μια μακροσκοπική οντότητα, όπως ένα πλήθος ηλεκτρονίων, μπορεί να συμπεριφερθεί κβαντομηχανικά εφόσον προστατεύεται από την άμεση επαφή με το ευρύτερο περιβάλλον. Απομονώνοντας τα ηλεκτρόνιά τους από τον θόρυβο και παραμένοντας σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κατάφεραν να φέρουν την ομιχλώδη απροσδιοριστία της κβαντομηχανικής σε ένα κύκλωμα που μπορούσε κανείς να κρατήσει στην παλάμη του χεριού του.
Ένα κβαντισμένο ηλεκτρικό κύκλωμα
Η ανακάλυψη των Clarke, Devoret και Martinis είχε και ένα δεύτερο σκέλος. Βομβαρδίζοντας με μικροκυματική ακτινοβολία κατάλληλης συχνότητας το κύκλωμα, διαπίστωσαν ότι αυτό εξέπεμπε και απορροφούσε ενέργεια κβαντισμένα – σε διακριτά πακέτα ενέργειας (χαρακτηριστικό των κβαντικών συστημάτων και όχι των κλασικών). Αυτό το είδος κβαντισμένου συστήματος έχει βρει αρκετές χρήσεις, όπως στην προσομοίωση ατόμων. Το υπεραγώγιμο κύκλωμα στην ουσία υπακούει στην ίδια φυσική με ένα άτομο που μεταπίπτει μεταξύ θεμελιώδους και διεγερμένης κατάστασης. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει αυτήν την έννοια του τεχνητού ατόμου για να σχεδιάσουν και να μελετήσουν κάθε είδους νέα ατομικά συστήματα.
Η ευαισθησία αυτών των κυκλωμάτων τα καθιστά επίσης ιδανικούς ανιχνευτές για ανεπαίσθητα φαινόμενα που απελευθερώνουν μικροκύματα. Την τελευταία δεκαετία έχουν ενσωματωθεί στην αναζήτηση των υποθετικών σωματιδίων σκοτεινής ύλης που ονομάζονται αξιόνια (ο Clarke συμμετέχει σε μια τέτοια έρευνα, στο Axion Dark Matter Experiment).
Τα πειράματα των βραβευθέντων με το Νόμπελ Φυσικής 2025 απέδειξαν πέρα από κάθε αμφιβολία ότι ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα “αρκετά μεγάλο ώστε να μπορεί κανείς να το πιάσει με τα χέρια του” μπορεί να απομονωθεί επαρκώς ώστε να παρατηρηθούν τόσο η κβάντωση ενέργειας όσο και το μακροσκοπικό φαινόμενο σήραγγας. Σε αναλογία με ένα σωματίδιο που εξέρχεται από έναν βαρύ πυρήνα με φαινόμενο κβαντικής σήραγγας, οι Clarke, Devoret και Martinis περιέγραψαν το σύστημά τους ως έναν “μακροσκοπικό πυρήνα” και προέβλεψαν τη δυνατότητα κατασκευής εξωτικών “μακροσκοπικών πυρήνων με αγωγούς”. Οι ανακαλύψεις τους έθεσαν τα θεμέλια για την εξερεύνηση της μακροσκοπικής κβαντικής φυσικής σε υπεραγώγιμα κυκλώματα, όπου η επαφή Josephson παίζει τον ρόλο ενός εργαστηριακά κατασκευασμένου ατόμου.
πηγές:
1. Scientific background to the Nobel Prize in Physics 2025 (pdf)
2. How the Physics Nobel Recognized Quantum Weirdness and Avoided Hype
https://physicsgg.me/
tinanantsou.blogspot.gr
